La Tierra es tan grande que, por supuesto, es imposible inventar una balanza para pesar toda la Tierra. ¿Cómo pesó Cavendish la Tierra?
Después de que Newton propusiera la ley de la gravitación universal, él y muchos científicos de la época descubrieron que la masa de la Tierra se podía calcular utilizando la fórmula de la gravitación universal.
Antes de esto, los científicos habían propuesto un método para calcular el peso de la Tierra.
Debido a que el radio de la Tierra se puede calcular para calcular el volumen de la Tierra en 1,08 × 1021 metros cúbicos, si se conoce la densidad de la Tierra, la masa de la Tierra se puede calcular usando " masa = densidad × volumen". La idea parece fácil, pero en realidad no funciona. Debido a que los científicos han descubierto que la densidad de los materiales que componen la Tierra es diferente, y la proporción de materia en toda la Tierra también es diferente, es imposible saber exactamente cuál es la densidad promedio de toda la Tierra. Por eso, algunos científicos de la época afirmaron que los humanos nunca podrían saber el peso de la Tierra.
El descubrimiento de Newton de la ley de la gravitación universal dio otro rayo de esperanza al trabajo de pesar la Tierra.
En primer lugar, Newton analizó los siguientes valores: uno es la gravedad de la Tierra sobre una masa conocida, que en realidad es la gravedad del objeto y es fácil de medir; el otro es la distancia entre los dos; Utilice el radio de la Tierra como una aproximación. Otro valor clave es la constante gravitacional g, que se desconocía en ese momento pero que se podía obtener midiendo directamente la fuerza gravitacional entre dos objetos de masa conocida en la superficie; suelo. (Resulta que el Sr. Newton no conocía el valor de G, entonces, ¿quién midió el valor de G?)
Para medir directamente la fuerza gravitacional entre dos objetos, Newton diseñó cuidadosamente varios experimentos. pero objetos ordinarios La fuerza gravitacional entre ellos es muy pequeña y no se puede medir experimentalmente.
Más tarde, Newton tuvo que expresar su decepción porque si intentaba utilizar la gravedad para calcular la masa de la Tierra, nunca obtendría el resultado.
Después de la muerte de Newton en 1727, algunos científicos continuaron estudiando este problema.
En 1750, el científico francés Bugler (1698 ~ 1758) llegó hasta Ecuador en América del Sur. Subió por la empinada cuerda de Chimbora, una larga cuerda que colgaba del acantilado, con una bola de plomo atada al extremo inferior.
Primero quería medir la distancia de la bola de plomo a la gravedad de la montaña debajo de la línea vertical, y luego calcular la masa de la montaña en función de la densidad y el volumen de la montaña, y luego calcular la constante gravitacional g, pero debido a que la gravedad era demasiado pequeña, era casi imposible. La distancia desde la línea vertical no se puede medir, e incluso si se puede medir, es muy inexacta. El experimento de Bugler todavía fracasó. (Ver "Experimentos famosos en el desarrollo de la física clásica", editado por Shen, Shen y Press, p57~80 (Determinación de la constante gravitacional)))
El primer "pesaje" exitoso del mundo de la tierra El hombre de peso es el físico británico Cavendish (1731 ~ 1810). ¿Cómo tuvo éxito?
Cavendish tiene fama de "bicho raro" en la comunidad científica. Es descendiente de varias generaciones de burócratas británicos y su familia es muy rica. Sin embargo, vestía ropa vieja y estaba descuidado. Casi no hay prenda de vestir a la que no se le quiten los botones. Estableció un laboratorio y una biblioteca en casa. Aunque estaba desorganizado, la biblioteca estaba bien organizada. Una gran cantidad de libros están numerados en categorías y no importa quién los tome prestados o incluso los lea él mismo, deben estar registrados.
Cuando Cavendish aún estaba en la universidad, se interesó por "pesar" la tierra.
Analizó cuidadosamente las razones del fracaso de sus predecesores y creía que la razón principal era que los métodos experimentales no eran científicos. Para lograr un gran avance en esta cuestión, se deben adoptar nuevos métodos experimentales.
En 1750, había un profesor llamado John Michel en la Universidad de Cambridge. Cuando estudiaba el magnetismo, utilizó un método ingenioso para observar cambios de fuerza muy débiles. Después de que Cavendish recibió la noticia, vino inmediatamente a pedir consejo.
El profesor Mitchell presentó métodos experimentales al joven Cavendish.
Colgó una barra magnética horizontalmente de una cuerda y luego obligó al imán a atraerla. En este momento, la línea de sincronización está distorsionada y la magnitud de la atracción magnética es claramente visible. Cavendish se inspiró mucho en esto y se preguntó: ¿podríamos utilizar este método para medir la fuerza gravitacional débil entre dos objetos?
Poco después de regresar de Michel, Cavendish copió una serie de dispositivos: colocar una pequeña bola de plomo en ambos extremos de una varilla delgada para hacer algo similar a una mancuerna. Una mancuerna se suspende horizontalmente desde el medio por una; alambre de acero. Creía que si dos bolas de tiro más grandes se acercaban a dos bolas de tiro más pequeñas, de acuerdo con la ley de la gravitación universal, las "mancuernas" se balancearían durante un tiempo bajo la acción de la gravedad y la línea de tiempo también se torcería en consecuencia. En este momento, siempre que se mida el grado de torsión de la línea de tiempo, se puede calcular más la gravedad. (Ver "Experimentos famosos en el desarrollo de la física clásica", editado por Shen, y Press, p57~80 (Determinación de la constante gravitacional))
Esta inferencia es teóricamente válida, pero está estancada en Vendish. Lo intenté muchas veces y fracasé.
¿Cuál es el motivo? O porque la fuerza gravitacional es demasiado débil, por ejemplo, cuando dos bolas de plomo de un kilogramo están separadas diez centímetros, la fuerza gravitacional entre ellas es sólo una millonésima de gramo. Incluso el polvo en el aire puede interferir con la precisión de la medición. . Por lo tanto, en las condiciones de ese momento, si los cambios sutiles en la seda estacional se observaran y determinaran completamente a simple vista, el experimento inevitablemente fracasaría.
Décadas de tiempo pasaron inconscientemente.
En 1785, Coulomb propuso la ley de Coulomb (Nota 1). Porque la invención del torquímetro de Coulomb dio a Cavendish (1731 ~ 1810) una buena inspiración. Sin embargo, la gravedad no se puede medir utilizando el método de Coulomb, porque la gravedad es casi 40 veces más pequeña que la electricidad y el instrumento necesita ser más preciso.
Cavendish pensó en cómo agrandar los pequeños giros de la seda sensible al tiempo. Pero nunca funcionó.
Hasta que un día de 1798, Cavendish asistió a una reunión de la Royal Society. A mitad de camino, vio a varios niños jugando un juego interesante:
Cada uno tenía un pequeño espejo en sus manos para reflejar la luz del sol y jugar entre ellos. Mientras el pequeño espejo se gire ligeramente, la posición del punto de luz distante cambiará mucho.
Al ver esto, una idea repentinamente pasó por su mente. Recordó el problema de torcer y amplificar el cable de sincronización. ¿No se podría resolver con la ayuda de un pequeño espejo? Incapaz de reprimir su emoción, se dio la vuelta y corrió de regreso al laboratorio para mejorar nuevamente el dispositivo experimental. Sujetó un pequeño espejo a una seda de temporada y alumbró un rayo de luz. Después de que la luz es reflejada por el pequeño espejo, brilla en una escala. De esta forma, siempre que la línea de tiempo esté ligeramente distorsionada, la luz reflejada se mostrará claramente en la escala. Cavendish llamó a este dispositivo "escala de torsión".
La sensibilidad de la escala de torsión es muy alta. Usando este dispositivo, Cavendish finalmente logró medir la constante gravitacional G como (6,754 0,041) × 10-8 dinas cm2/g 2, que es lo mismo que el valor moderno (6,6732 0,0031) × 650. Basándose en la constante gravitacional, Cavendish calculó además que el peso de la Tierra era 5,976 × 1024 kg.
Cavendish comenzó a hacerse esta pregunta cuando era un adolescente en la universidad. No fue hasta 1798 que utilizó métodos experimentales para "pesar" la tierra durante cincuenta años. Han pasado unos 100 años desde que Newton propuso la ley de la gravitación universal.